Часть 3. Физика здоровья

«Мне не нужны модели, рисунки, эксперименты. Когда у меня рождаются идеи, я в воображении начинаю строить прибор, меняю конструкцию, совершенствую ее и включаю. И мне совершенно безразлично, проводятся испытания прибора у меня в мыслях или в мастерской, – результаты будут одинаковыми. За 20 лет у меня не было ни одного исключения».

НИКОЛА ТЕСЛА

Термодинамика организма

Потребность познания так же естественна для человека, как потребность в воде и пище. Она больше и глубже, чем потребность в одежде и жилище. Стремление к познанию неугасимо горит в младенце, ему новы все проявления бытия. Все, что видит младенец, – предмет познания. Для взрослого познание есть непрерывное углубление в сущность явлений. Счастлив тот, кто среди многоцветия известного видит и радостно воспринимает новое, а не скользит торопливыми взглядами по поверхности фактов…

Надеюсь, эта патетическая запевка вас вдохновила, и вы наберетесь интеллектуальной ярости, чтобы прочесть последнюю, более сложную часть книги. Уж позвольте доктору пофилософствовать за ваш счет…

В этой части книги речь пойдет об основах термодинамической биологии, которая рассматривает живое вещество с точки зрения физики. И начнем мы наши рассмотрения с музыки сфер. Термодинамических…

Представление о термодинамических сферах является неким увеличительным стеклом, направив которое на организм, мы можем разглядеть удивительную модель функционирования живого организма. Термодинамические сферы не существуют в реальности, это просто удобные ментальные инструменты для представления «физики организма» с целью поиска оправданных (с точки зрения физики) методов лечения практически всех социально значимых заболеваний.

Как вообще родилась эта идея – представить человека в виде шара?

В свое время я с удовольствием прочитал книгу Иосифа Самуиловича Шкловского «Вселенная. Жизнь. Разум». Он там всего на нескольких страницах столь живописно описал теорию соподчинения управляющих систем, что в голове у меня сразу возникла четкая картина существования внешней мембраны и центра внутри, который, считывая информацию с мембраны, уже оперирует потоками вещества и энергии, которую необходимо поглотить и выделить в окружающую среду через мембрану.

Поняв, насколько удобно и доступно с помощью этого метода можно проиллюстрировать сложнейшие процессы, проистекающие в живой природе, я тут же мысленно отрисовал все механизмы работы живого вещества в виде «сфер-матрёшек». Причем, что интересно, натолкнуло меня на это описание сферы Дайсона в книге того же Шкловского.

Фримен Джон Дайсон, американский физик-теоретик, предположил, что во вселенной могут существовать гигантские сооружения в виде искусственных сфер, построенных сверхцивилизациями, которые (сферы) представляют собой относительно тонкую сферическую оболочку вокруг своей звезды – для «сбора» и использования всей энергии светила, чтобы она попусту не улетала в космос. (Земля наша, например, получает только одну двухмиллиардную часть солнечной энергии, остальное «греет улицу». Жалко! Согласно расчётам для сооружения сферы Дайсона вокруг Солнца, например, потребуется вещества столько же, сколько содержится в Юпитере, но это так, к слову…)

Должен сказать, осознание пусть даже небольшой вероятности существования такой структуры, произвело на меня тогда неизгладимое впечатление! То, что разрозненные мелкие частицы системы, коими являются отдельные индивидуумы, при наличии разума и должном целевом управлении, могут создавать подобные грандиозные объекты, не может не впечатлить! Надеюсь, подобные объекты на самом деле существуют во вселенной. Просто, по всей вероятности, они так далеки, что сегодня непонятно, как их обнаружить.

В общем, прообразом первой термодинамической сферы в нарисованной мною модели можно считать сферу Дайсона, разграничивающую внутренний мир и окружающую среду. В биологии прямым и очевидным аналогом сферы Дайсона является клеточная мембрана. А в моей философско-биолого-физической картине весь организм человека представляет собой комплекс мембран, контактирующих с внешней средой – это и слизистая оболочка кишечника, и альвеолы легких. Эти мембраны осуществляют активный обмен со средой, являясь посредниками. Причем, если кишечные ворсинки развернуть в толщину одной клетки, общая их площадь составит более 200 квадратных метров. А развернутая альвеолярная ткань легких развернется до 80 квадратных метров.

И если человека для простоты представить в виде сферы, то именно указанные поверхности будут воспринимать энергию, вещество и информацию из внешней среды. Эта информация затем поступает в управляющий центр внутри сферы – ствол головного мозга – и обрабатывается там, после чего запускается комплекс энергетических и биохимических процессов для адаптации к внешней среде и сохранения стабильной внутренней среды.

Почему именно сфера? Так удобнее для понимания. Нас еще со школы и института учат рисовать клетку в виде круга с ядром внутри. Ну, пусть и организм в нашей схеме будет подобием большой клетки, внутренняя среда которой состоит из триллионов маленьких клеток.

Вот примерно так это можно себе представить. Первая сфера. Пояснения касательно энергетических единиц даны ниже в тексте.

Термодинамика – это область физики, которая изучает принципы работы любых систем. Простых и сложных. Открытых и закрытых. Самостоятельных и зависимых. Живых и неживых… Термодинамика не изучает работу каких-либо составных частей, термодинамика изучает, как работает система в целом. Что с ней происходит, как налажена ее адаптация к внешним воздействиям.

По сути, термодинамика есть предшественница системного анализа, общей теории управления, биологической кибернетики и многих других междисциплинарных научных ростков. А образ сферы позволяет сформировать модель человека и цивилизации, как гипотетического шара, имеющего определенные вложенные оболочки и структуры. Причем работа данной модели может быть описана формулами, используемыми в физике и математике. В будущем это станет полезно при компьютерном моделировании тех или иных процессов, происходящих в живой материи. Но сейчас нас интересует Первый закон термодинамики применительно к «сферическому человеку».

Этот самый Первый закон, или Первое начало термодинамики, напомню подзабывшим, есть не что иное, как формулировка общефизического закона сохранения энергии для термодинамических систем, то есть тех систем, где происходят термические, массообменные и химические процессы.

Когда я начал свои мысленные эксперименты со сферами, то увидел явное несоответствие между площадями развернутых мембран (кишечной и легочной) и тем энергетическим вкладом, которые они привносят в метаболизм. А именно: учитывая, как тяжело переносит организм кислородное голодание, площадь легочной мембраны казалась явно недостаточной в сравнении с кишечной мембраной. Возникает вопрос: почему же без воздуха, который взаимодействует с легочной мембраной, организм может продержаться намного меньше, нежели без воды и еды, которые взаимодействуют с кишечной мембраной? Почему так важна именно легочная мембрана при меньшей площади? Решение оказалось на поверхности – после некоторых раздумий я пришел к выводу, что полезное действие данных мембран необходимо оценивать не по площади, а по эффективности энергетического воздействия на метаболизм. Элементарно, Ватсон!

Как мы уже знаем, реакция аэробного дыхания дает 36 молекул АТФ на 1 молекулу глюкозы, против реакции анаэробного гликолиза, которая дает лишь 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Путем вычислений, соотнося площади мембран и их «энергетическую производительность», мы получаем коэффициент эффективности метаболизма каждой из мембран – 1440 условных энергетических единиц для легочной мембраны и 200 для кишечной (сами вычисления опускаю) – и приходим к выводу, что вклад в энергетический баланс при аэробном обмене будет в семь раз выше, чем при анаэробном. Этот энергетический коэффициент будет важен для дальнейшего изучения законов, согласно которым функционирует живая материя.

И сразу пример. Еще в 1966 году нобелевский лауреат в области физиологии и медицины немецкий биохимик Отто Варбург отметил, что «первопричина рака – это замена дыхания с использованием кислорода в нормальной клетке на другой тип энергетики – ферментацию глюкозы». То есть: баланс аэробного-анаэробного вклада в «энергетический котел» действительно играет ключевую роль в функционировании организма!

После того, как был установлен энергетический баланс мембран, я попытался визуализировать термодинамическую сферу в виде шара (шар – это «заполненная» фигура, в отличие от сферы). Площадь этого шара – мембраны (легкие + кишечник); точка в его середине – управляющий центр (в данном случае ствол головного мозга). А что между ними? Чем заполнен объем шара? Через какую структуру передается информация от мембран к управляющей системе и обратно? Как сделать так, чтобы вся информация быстро, адекватно, постоянно и бесперебойно поступала от поверхности сферы к управляющему центру? Нам нужно выявить передающий канал – наполнение этого гипотетического шара.

Если мы обратим внимание на структуру клетки, то отметим наличие среды между ее оболочкой и ядром, а именно – цитоплазмы. В человеческом организме, по аналогии с клеткой и цитоплазмой, передающей средой является кровь, конечно же. Она постоянно находится одновременно и на мембранах, и внутри управляющих систем. Сердце также играет немаловажную роль в передаче информации – оно осуществляет механическую передачу овеществленной информации от мембран к управляющему центру и обратно путем переноса растворенных в плазме крови определенных веществ – газов, пептидов, аминокислот, гормонов и прочих активных биохимических субстанций. Сосуды же являются каналами передачи информации.

Тут надо сказать, что я уже давно обратил внимание на анатомию этих сосудов, с которыми работал много лет. У нас есть четыре артерии, которые доставляют кровь в головной мозг, – это две вертебральные артерии и две внутренние сонные артерии. Любая информация должна гарантированно доходить от сердца до мозга без искажения. Самое интересное, что, если мы обратим внимание на анатомию кровоснабжения ствола головного мозга, то увидим, что все эти четыре артерии сливаются в одну – базилярную артерию, она представляет собой цистерну, которая соединяет между собой внутренние сонные и позвоночные артерии. И уже из базилярной артерии отходят ветки к стволу мозга. Фактически это путь от сердца к управляющей системе. Поэтому, если каким-либо образом скорость поступления информации по этому каналу уменьшается за счет внешнего воздействия, возникает ситуация, когда управляющий центр получает искаженную информацию, что в свою очередь приводит к возникновению ряда патологических состояний.

Для упрощения восприятия спустимся с теоретических сфер на землю и приведем наиболее яркий клинический пример: нестабильность 3-го и 4-го шейных позвонков, сужение просвета позвоночных артерий и вен, уменьшение скорости циркуляции крови в бассейне ствола мозга. Что это значит с точки зрения нашей теоретической картинки с термодинамическими сферами? Нарушение скорости передачи информации! В первую очередь это касается концентрации кислорода в крови, но вовсе не ограничивается данным параметром: весь ствол мозга стал получать неправильную информацию от всех органов и систем всего лишь из-за частичного сдавливания позвоночных артерий и вен!

Сначала мозг оценивает сложившуюся ситуацию как снижение уровня концентрации кислорода в атмосфере, притом что на самом деле в атмосфере концентрация кислорода не поменялась. В ответ на получение искаженной информации, управляющий центр активируется и с помощью нервно-мышечной передачи пытается компенсировать недостаток кислорода в организме – увеличивает частоту сердечных сокращений и повышает артериальное давление. Это яркий пример быстрой адаптивной реакции. Иными словами, так называемую эссенциальную, или идиопатическую, артериальную гипертензию следует отнести именно к реакции адаптации организма, а не к патологическому состоянию… Только на одном этом примере мы можем оценить, насколько важно беспрепятственное прохождение биохимической информации от мембран к управляющему центру!

Еще раз напряжемся и представим человека как огромную сферу или шар, который находится в некой гипотетической идеальной среде, где снаружи – там, где легочная мембрана, царят постоянная концентрация кислорода и других газов, одинаковые температура и давление, а кишечная мембрана погружена в бульон с идеальными условиями.

Итак, при идеальных условиях передачи биохимической информации, описанная сфера может существовать в идеальном равновесии сколь угодно долго – вечно. Если же появится малейшее нарушение передачи информации от мембраны к управляющей системе, сразу же возникнет биохимический дисбаланс – метаболический синдром. И если вовремя не устранить это нарушение передачи сигнала, появившийся дисбаланс со временем неизбежно приведет к прекращению существования всей системы. Биохимическое угасание будет иметь вид череды деструктивных изменений по направлению от мембраны к центру. Если описываемые процессы рассматривать по отношению к единичной клетке – это будет деструкция ее плазматической оболочки, затем клеточных включений и, в конце концов, клеточного ядра. Если же методически рассматривать ситуацию в целом по отношению к организму человека, можно привести следующую схему: компрессия сосудов – артериальная гипертензия – метаболический синдром – единичные атеросклеротические бляшки – сужение просвета магистральных сосудов – ишемический инсульт – смерть.

Таким образом, первая описанная нами термодинамическая сфера (или, точнее, шар, потому что заполненный внутри) – это анатомо-физиологическая структура, которая состоит из легочной и кишечной мембран, крови как передающей среды и ствола мозга в качестве управляющего центра. При этом первая термодинамическая сфера полностью подчинена принципам функционирования второй сферы, к описанию которой мы и подошли.

Что же это за вторая сфера такая термодинамическая?

Несмотря на то что первая термодинамическая сфера является ярким примером управляемой системы, у нее есть существенный недостаток – она может существовать исключительно в идеальной среде, чего не наблюдается в реальной жизни. Вследствие этого возможности первой сферы сильно ограничены. Окружающая среда, как правило, агрессивна в той или иной степени по отношению к организму. Такие факторы, как температура воздуха, атмосферное давление, состав воды, уровень солнечной радиации и десятки прочих показателей активно влияют на живую материю. То есть окружающая нас среда – это далеко не райское место, в отличие от умозрительной модели, описанной выше в целях упрощения. Каким же образом организм компенсирует колебания среды? С помощью второй оболочки!

Это своего рода матрешка…

Функция второй сферы сводится к обеспечению стабильности окружающей среды на мембранах первой сферы. То есть вторая сфера следит за внутренними показателями первой и осуществляет подстройку к внешним факторам. Иными словами, путем эволюции возникли механизмы, которые в автоматическом режиме помогают организму подстраиваться под изменения внешней среды. Эти механизмы позволяют контролировать частоту дыхания, уровень биологически активных веществ в крови и пр. Совокупность этих механизмов я и определяю как вторую термодинамическую оболочку. Фактически наше тело и есть вторая сфера, в которой управляющим центром является область головного мозга, отвечающая за безусловные рефлексы. Мембраной же будет являться кожа, рецепторы и органы чувств, а проводящей средой, соответственно, нервная ткань.

Как же функционирует вторая сфера, в чем она себя проявляет?

Во-первых, это контроль дыхания, его частоты и глубины, то есть контроль над количеством вдыхаемого кислорода, поступающего на альвеолярную мембрану.

Во-вторых, пищевой инстинкт – контроль над количеством и качеством поглощаемых питательных веществ путем процесса добывания нужной пищи, а это уже использование нервно-мышечной деятельности.

К проявлениям работы второй сферы также относится инстинкт самосохранения.

Все перечисленные механизмы в высшей мере изучены и описаны великим русским ученым, первым российским нобелевским лауреатом Иваном Петровичем Павловым. В 1903 году на Мадридской конференции он впервые сформулировал принципы физиологии высшей нервной деятельности, которой посвятил последующие тридцать пять лет своей жизни. Уже тогда старейшина физиологов приоткрыл тайну управляющих систем на уровне нервной проводимости. Я же в этой книге стараюсь представить взгляд, который бы позволил максимально удобно визуализировать сложные процессы энергообмена, происходящего в живой материи.

Для того чтобы в полной мере предохранять первую сферу, вторая термодинамическая сфера должна обладать высокой энергичностью: иметь более быстрый энергетический обмен, емкий энергетический запас и высокую стабильность структур. Громадную роль также играет непрерывный информационный обмен между двумя сферами для их слаженной работы. То есть вторая сфера должна иметь высокую реактивность: пищу нужно догнать, поймать и остаться самому при этом в живых, поэтому скорость передачи информации должна быть чрезвычайно высока.

И чтобы достичь высокой скорости передачи информации, в работе второй сферы используется принцип «многоканальности» – нервные волокна можно сравнить с оптоволокном, где информация передается не диффузно, то есть медленным перемещением вещества (как это происходит в крови путем переноса вещественного сигнала по всему организму), а целенаправленно электромагнитной волной. «Целенаправленно» – значит, каждому конкретному потребителю свой персональный сигнал по персональному кабелю. Этой мышце один сигнал, другой мышце – другой. В этом и есть главное отличие механизма распространения информации в первой и во второй сферах: первая – это диффузный тип (в медицине он называется гуморальным), вторая – передача электрического сигнала по нервам-проводам, прокинутым до каждого конкретного «абонента».

Представим себе ситуацию: рецепторы фиксируют изменения входящего сигнала на мембранах или изменение состава крови; в мозг посылается нервный импульс, биологическое реле срабатывает – возвращается ответный сигнал на запуск компенсаторных механизмов. Пример: долгий перерыв без принятия пищи, снижение уровня глюкозы в крови. Сначала возникает чувство голода, которое стимулирует к поиску пищи. Если пищу найти невозможно, срабатывает виртуальное биологическое реле и запускаются механизмы возобновления энергетического баланса за счет использования собственных ресурсов – получение энергии из печени, жирового депо, мышц и прочих резервов.

Вторая термодинамическая сфера функционирует по тем же законам и формулам, что и первая, но при этом количество энергии, циркулирующее по контурам второй сферы, гораздо выше по сравнению с энергетическим потенциалом первой сферы, что, собственно, и позволяет второй сфере обеспечивать за счет своих ресурсов бесперебойное функционирование первой сферы. Если выразиться по-другому, то вторая сфера более приспособлена к изменениям внешней среды, чем первая, именно за счет наличия в ней гораздо большего количества запасенной энергии.

Таким образом, резюмируя сказанное, отметим характерные признаки второй сферы:

• Она может активно перемещаться в агрессивной внешней среде и реагировать быстрее, чем первая сфера.

• Обеспечивает стабильность первой сферы за счет своих энергозапасов (печень, жир, мышцы и пр.) – поддерживает баланс биологически активных веществ и газов крови.

• Оберегает первую сферу и пополняет через нее свои ресурсы, так как первая сфера является просто энергетическим реактором, который может собирать и аккумулировать энергию внешней среды.

• Вторая сфера – это анатомо-физиологическое образование, которое, по сути, представляет нашу физическую оболочку, наше тело.

• В отличие от первой сферы передача информации происходит не диффузно, а по выделенным высокоскоростным каналам, коими являются пучки нервных волокон.

Изделие № 3

А есть еще третья сфера!

Третья термодинамическая сфера в нашей мысленной модели – это сфера разума. Данная сфера представлена только у нашего вида. Повезло, что сказать…

Особенность разума в том, что он может качественно влиять на окружающую среду. Не количественно, как вторая сфера, путем дыхания и еды, а именно качественно. Разум человека может создавать различные комбинации и концентрации каких-либо веществ (например, лекарств) для изменения своей внутренней среды, либо изменять показатели окружающей среды вокруг себя – давление, температуру и др. Например, он может снять квартиру, чтобы не замерзнуть зимой на улице, или устроиться на работу, чтобы купить согревающие жидкости…

Существует и четвертая сфера, более внешняя, чем человек разумный, это вся совокупность взаимодействующих путем экономики людей – то, что некоторые мыслители называют техносферой – искусственная оболочка, созданная нашим видом для комфортного существования внутри нее. Этакая «ракушка», оберегающая мягкую внутренность от превратностей внешней среды – биосферы. Здесь города и дороги, система центрального отопления и информационная сеть, кастрюли и самолеты, буровые вышки и пьезокристаллы, иголки и ракеты… В общем, все, что нами создано для нас с целью управления внешними силами природы, – чтобы сделать их достоянием первых трех сфер. Техносфера работает «на разуме».

Ну, а пятой сферой является уже вся биосфера планеты, воспринимающая энергию солнечного излучения и использующая вещество планеты для своего строительства.

Поток энергии в этой «матрёшке» из сфер направлен внутрь системы – от внешних сфер к внутренним. За счет получения энергии извне внешняя сфера оптимизирует условия существования внутренней сферы – например, третья для второй, чтобы тело существовало в тепле и сытости и его существование продолжалось (хотя бы в теории) сколь угодно долго. Правда, реализовать систему вечного существования на практике пока не представляется возможным…

Сфера разума постоянно уменьшает собственную энтропию, то есть упорядочивает все процессы, которые происходят внутри нее. Эта оболочка (как, впрочем, и любая из перечисленных) функционирует в полном соответствии с диссипативными уравнениям Пригожина. Пару слов о последнем…

Бельгийский физик российского происхождения Илья Пригожин в середине ХХ века ответил, наконец, на вопрос, давно мучивший науку: почему, несмотря на то что Второе начало термодинамики, предсказавшее тепловую смерть вселенной, требует нарастания хаоса, непременного разрушения и деградации всего и вся, на деле мы наблюдаем иное – строятся дома и электростанции, делаются открытия, социальная система усложняется от века к веку. И на уровне биологических систем происходит аналогичное – растут и развиваются родившиеся организмы, дети учатся, умнеют… А ведь Второе начало термодинамики – прямое следствие нерушимых общефизических законов сохранения! Как же они могут нарушаться, да ещё так цинично, открыто и видимо?

Никак не могут.

Пригожин открыл, что усложнение систем ничуть не противоречит законам физики, потому что процессы усложнения оплачиваются разрушением внешней среды и, стало быть, в целом Второе начало не нарушается, общая энтропия вселенной только нарастает. А усложнение происходит локально – в открытых и сложных самоуправляемых системах, куда поступает энергия извне. Но не только усложнение, а даже и просто поддержание такой сложной системы в целости, сохранение ее стабильности и устойчивости зависит от непрерывного поступления в нее потока внешней энергии и постоянной неустанной работы против разрушающих сил энтропии, против хаотизирующего Второго начала термодинамики. Поддержание в отдельных частях мира таких сложных систем, как жизнь, оплачивается разрушением вселенной в целом. Жизнь на нашей планете, в частности, оплачивается выгоранием Солнца.

Плакать не надо. Так устроен мир.

Кстати, ближайшим биологическим примером существования третьей сферы в природе является плацента. Эмбрион, который находится в матке, развивается ведь не сам по себе, а под чутким контролем состава окружающей среды – околоплодных вод. Это происходит с помощью гемато-плацентарного селективного барьера, который осуществляет материнский организм, он и является для плода внешним миром, создающим для плода оптимальный баланс температуры, давления и биохимических реакций. Таким образом, маленький организм растет и развивается в идеальных условиях, автоматически поддерживаемых организмом матери. После рождения младенца его сфера разума включается далеко не сразу: сначала мы имеем неразумное существо, и лишь после психологического созревания можно говорить о возможном его деятельном включении в жизненный процесс третьей сферы. Ребенок же от полутора до трех лет – это вторая сфера в чистом виде. Пока родители решают за ребенка вопросы его комфорта – надеть или снять кофточку, например, – они являются его третьей сферой. Поэтому с позиций термодинамических взглядов момент рождения ребенка не совпадает с моментом его соприкосновения с третьей сферой.

Теперь о передатчиках сигналов… Кровь является передатчиком информации в первой сфере. Нервные импульсы – во второй. А в третьей и в четвертой сферах передается уже чистая информация, которая транслируется разными способами и имеет разный вид – как вид передаваемых сведений, так и денежно-финансовых сигналов. Впрочем, туда мы углубляться не будем, наша тема – утилитарно-биологическая.

Так вот, с моей точки зрения, одной из целей разума как естественного продолжения биологической эволюции, является обнаружение и нахождение проблем в передающих средах, мембранах и управляющих центрах первых двух сфер для их своевременного устранения. Иными словам, победа над старостью. Иными словами – практически бессмертие.

Ну, да, доктор – мечтатель…

Но согласитесь, вся наша жизнь – это стремление к ее продлению. И разум, как инструмент эволюции, имеет все возможности данный процесс обеспечить. Вид также смертен, как и индивид, но по сравнению с жизнью одной особи вид почти бессмертен. С другой стороны, человек почти бессмертен по сравнению со сменяющими друг друга клетками, из которых он состоит. И наша задача – сделать эту клеточную сменяемость практически бесконечной. То есть обхитрить природу, продлив жизнь одной особи хотя бы до продолжительности жизни целого вида. А лучше больше!

Надеюсь, никто не против, кроме самоубийц?

Разум – это термодинамическая необходимость живой материи. При длительной эволюции рано или поздно многие живые организмы могут стать разумными, потому как в конечном итоге третья сфера необходима для повышения конкурентности вида и его экспансии, без наличия же разума это не представляется возможным.

В завершение этой главки, я хотел бы привести цитату Ильи Мечникова, которая кратко отражает всю суть третьей термодинамической сферы: «Можно совершенно точно утверждать, что не человек намеревается переделать свою физическую природу, а природа сама переделывается, пользуясь силами нервной системы одного из созданных ей высших представителей живой материи».